干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征

为了了解干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征,分别开展了两组干湿循环试验。在控制吸力干湿循环试验中,吸力控制范围为 0.4 ～ 262 MPa ,采用了两种吸力控制方法,分别为渗析法（吸力＜ 4 MPa ）和蒸汽平衡法（吸力＞ 4 MPa ）,当每一级吸力达到平衡时,测量试样对应的含水率和体积;在常规干湿循环试验中, 采取了两种干缩路径,分别为全干燥和部分干燥,并测量试样在每次干湿循环过程中的轴向变形及循环结束后的含水率。结果表明： 在脱湿和吸湿过程中,试样孔隙比随吸力变化可分 3 个典型阶段：大幅变化阶段（ 0.4 ～ 9 MPa ）、过渡阶段（ 9 ～ 82 MPa ）和平缓阶段（ 82 ～ 262 MPa ）; 当吸力大于 113 MPa 时,试样的胀缩变形基本可逆,而当吸力小于 113 MPa 时,试样的胀缩变形 表现出明显的不可逆性,且不可逆程度随吸力的减小而增加。试样在常规干湿循环过程中的胀缩变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定;胀缩特征受干缩路径的影响非常明显,全干缩路径中测得的膨胀率高于部分干缩路径,膨胀速率随干湿循环次数的增加而增加;试样在干湿循环过程中的膨胀率大小在一定程度上取决于吸湿能力。     

干湿循环与荷载耦合作用下红黏土胀缩特性

为获取符合工程设计的实际参数,对常规固结仪进行了改造,提出了一种模拟土体在荷载作用下的干湿循环试验方法,对红黏土进行了有荷载条件模拟干湿循环过程的试验研究,得到其胀缩变形的变化规律。结果表明:该方法可以实现不拆卸试样干湿循环试验,克服了以前荷载为0的土体干湿循环试验的缺陷,为工程设计提供更加合理的技术指标;干湿循环下红黏土的胀缩变形不可完全恢复,上覆荷载可以抑制其膨胀性,增强其收缩性;荷载小于50 kPa时,试样膨胀,且压实度越大和初始含水率越小,膨胀性越强;荷载大于100 kPa时,试样收缩,压实度越小和初始含水率越大,收缩性越强;第1次干湿循环对红黏土胀缩性能影响最为显著,随着干湿循环次数的增加,胀缩率曲线越来越平缓,胀缩性能趋于稳定状态。     

红层泥质岩干湿循环下的变形特性试验研究

泥质岩地区高速铁路开挖的路堑和隧道底部路基,许多出现了长时间持续性上拱变形现象,致使高速铁路降速运行。为研究泥质岩路基持续性上拱变形的原因,文章以成都至重庆高速铁路客运专线某中间站开挖路基持续变形现象为典型,对四川红层泥质岩原状样在侧限约束条件下的浸水膨胀与失水收缩构成的胀缩变形特性进行了室内干湿循环试验。试验结果表明:红层泥质岩在干湿循环条件下具有浸水膨胀失水收缩变形特性,循环胀缩变形量值不同,逐次产生了不可逆的变形累积,致使泥质岩在干湿循环过程最终产生了较大的净膨胀变形量;在每个浸水膨胀变形与失水收缩变形循环初期,泥质岩变形速率均是由大逐渐减小最后向零趋近,各单循环累积变形量先增加最后趋于稳定;泥质岩干湿循环中产生的累积变形量均随浸水与失水循环次数的增加而增大;累积变形量与泥质岩初始含水率相关,随着初始含水率的增加而增大。     

反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究

通过非饱和土三轴仪测试黏土试样经过多次吸湿–脱湿循环路径后的力学特性,研究反复干湿循环对非饱和土变形和强度特性的影响效应。试验成果表明:干湿循环使SWCC产生变化,相同含水率所对应的基质吸力减小;收缩特性亦发生改变,干湿循环后试样在基质吸力增加的开始阶段(收缩屈服前)收缩性增强,屈服后收缩特性基本与循环前一致;非饱和土固结屈服后的压缩指数增高,但增高的幅度随基质吸力增大而降低;有些试样经过干湿循环后,剪切时产生了滑裂破坏面,其应力–应变关系表现有明显峰值和应变软化特征;吸湿–脱湿循环过程不仅使非饱和土有效内摩擦角?′降低,而且对吸力内摩擦角?b值产生一定影响。说明非饱和土经过反复干湿循环的应力路径后,其力学特性将产生不可逆转的变化。     

基于BOTDA的土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性试验

为了研究土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性,制作了玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土和素膨胀土矩形槽试样,将传感光纤布设在土工格栅上和土层中,进行了湿胀干缩试验,利用布里渊光时域分析仪(BOTDA),得到素膨胀土和土工格栅加筋膨胀土试样在湿胀干缩过程中的光栅应变,对比分析两种土样应变分布特征。试验结果表明:在膨胀土湿胀干缩过程中,随着含水率的变化,加筋膨胀土平均应变变化量和变形小于未加筋膨胀土,反映了土工格栅对膨胀土体变形的约束作用和抑制裂隙发展的效果。     

膨胀土干湿循环强度特性的试验研究

通过室内试验，模拟了土体季节性的干缩湿胀，利用常规剪切试验，测定南阳膨胀土击实土样经过干湿循环后饱和样的抗剪强度，从而探讨干湿循环效应对于膨胀土强度的影响，具有重要的理论意义和工程意义。     

非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

原状Q_3黄土湿陷特性的CT-三轴试验

利用应力控制式CT-三轴仪及CT-湿陷性三轴仪,在控制吸力的条件下,试验研究原状Q3黄土的浸水湿陷特性。做了2组共15个三轴试验,包括均压浸水试验和以双线法进行的侧向卸荷浸水试验,试验中利用CT机进行无损断面扫描,并用得到的CT数定量分析原状Q3黄土的结构性对湿陷的影响。结果表明:对于双线法湿陷试验,同一吸力和偏应力下,固结净围压大的试样湿陷变形大于固结净围压较小的试样湿陷变形,包括体应变、轴应变及偏应变量;均压浸水湿陷试验时,在试样饱和前,随着浸水量的增加CT数与浸水量之间基本呈线性关系;当试样趋于饱和时,CT数增大减缓;均压浸水湿陷试验中,在同一吸力下,固结净围压大的湿陷体应变较大,结构演化变量值也越大。     

干湿循环后膨胀土力学特性的真三轴试验研究

为了研究原状膨胀土经过反复干湿循环稳定后的力学性状,利用非饱和土真三轴仪对经历不同干湿循环后的膨胀土进行了一系列脱湿-吸湿试验、常吸力等向固结试验和常吸力真三轴剪切试验,研究干湿循环对膨胀土土-水曲线、胀缩特性、压缩特性和强度特性的影响。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,脱湿曲线和吸湿曲线形成的滞回圈越来越小,甚至发生了逆向回滞;脱湿速率和吸湿速率随着循环次数的增加而增大。脱湿—吸湿过程中体变性状皆呈明显的屈服特性,验证了膨胀土本构模型中SI和SD屈服包线的存在,脱湿屈服吸力均大于吸湿屈服吸力,且二者皆随着循环次数的增加而减小。在低围压和低吸力条件下,干湿循环对膨胀土的压缩特性影响较大,而在高围压和高吸力条件下影响较小。干湿循环使膨胀土的黏聚力和内摩擦角降低,干湿循环后膨胀土的黏聚力随着吸力和中主应力的增大而增大,内摩擦角随着中主应力的增大而减小。在低吸力范围内(s≤200 kPa),干湿循环后的膨胀土的吸力摩擦角φ_b是一个变量。经历3次干湿循环后膨胀土的强度逐渐趋于稳定,其吸力摩擦角可看作是一个常量,其值随着b值的增大非线性增大。     

土体干湿循环过程中的体积变形特性研究

本文通过室内试验,研究了干湿循环过程中,土体沿不同方向失水导致裂隙沿不同方向开展时,土体应变的变形的特征。采用高精度卡尺直接量测的方法测量了膨胀土膨胀收缩后的应变变化,获得了膨胀土膨胀收缩过程中的应变曲线,试验结果表明:在干湿循环三次后土体的裂隙开始大幅的开展,但强度不会明显降低,此时土体可以看成是由强度和体积均较大的骨架颗粒组成,土体体积的增大即为团聚体间空隙增大的结果,土体在宏观上仍为强度和体积均较大的骨架结构,从而解释为何土体经多次干湿循环后裂隙不断开展但强度趋于稳定。在干湿循环过程中,无论土样沿轴向或径向失水,土样的轴向裂隙一直有较大程度的开展,而在干湿循环三次以后,土样的径向裂隙才开始大幅开展。     

Investigation on swelling-shrinkage behavior of unsaturated compacted GMZ bentonite on wetting-drying cycles

It is generally recognized that swelling/shrinkage deformation and accumulative deformation of compacted expansive soil on wetting-drying cycles are strongly influenced by the specimen’s dry density and the net stress applied. However, investigations on the coupling effects of dry density and vertical net stress on the swelling/shrinkage deformation and accumulative deformation are limited. Cyclical wetting-drying tests were conducted on unsaturated compacted GMZ bentonite specimens with three dry densities under five vertical net stresses. The influence of vertical stress on accumulative deformation was analyzed. Then, the critical vertical stress was proposed for specimens with different dry densities. The effect of dry density on accumulative deformation was studied and the critical dry density was determined for different vertical stresses. Based on these, the concept of critical swelling-shrinkage line is proposed in the e-p space. According to the relationship between the initial state of specimen and the critical swelling-shrinkage line, a state parameter is proposed for determination of the accumulative strain on wetting-drying cycles.

     

Hysteretic soil water characteristics and cyclic swell–shrink paths of compacted expansive soils

The investigation of the hydromechanical behavior of unsaturated expansive soil depends on the determination of hysteretic soil water characteristic curves (HSWCCs). This research investigates the HSWCCs of two natural expansive soils initially compacted at optimum moisture content (OMC) and maximum dry density (MDD) and then saturated to their maximum expansion state to ensure identical capillary history. Filter paper, pressure plate and chilled mirror hygrometer suction measurement techniques were utilized, and corresponding measurements of three-dimensional volume change made. The cyclic swell–shrink paths were deduced in terms of volumetric strain versus either water content or suction. The cyclic three-dimensional volumetric measurements showed a much higher amount of swelling and shrinkage than those determined from one-dimensional measurements. Hydraulic hysteresis rapidly decreased with the swell–shrink cycles as a result of macro-structural stabilization. Under the no/low confining conditions, the swell–shrink cycles generally caused a decrease of global expansion and an increase of global shrinkage. Moreover, a special phenomenon showing a reduction of global shrinkage on significant drying was discovered in the less plastic soil sample.     

压实高岭土干燥收缩特性试验

为研究初始干密度和初始含水率对高岭土干燥收缩行为的影响,探究其干燥收缩机理,采用数字图像相关法来测量环刀试样的径向变形,在设计的干燥收缩试验平台进行了一系列干缩试验,结合试验得到的收缩曲线和相应的土水特征曲线获得吸应力固结曲线。结果表明:饱和高岭土大部分收缩变形发生在进气点之前的饱和状态;试样在干缩过程中以径向变形为主,表现出比较明显的各向异性,这种各向异性的变形特性随初始饱和度的增加而减弱;随着初始干密度增大,试样干燥收缩稳定所需要的时间逐渐减小,稳定时的体积变形也相应减小,然而试样的初始干密度和饱和度对收缩变形稳定时的含水率几乎没有影响;吸应力固结曲线与饱和土的等向固结曲线近似重合的曲线形态表明吸应力和净平均应力对土收缩变形的作用效果是一致的;在等向应力条件下,有效应力是影响土体干缩变形的决定性应力;提出的结合干燥收缩试验和等向固结试验曲线的间接测量土水特征曲线的方法是相对可靠的。     

高放废物地质处置库中缓冲回填材料的收缩特征

缓冲回填材料的收缩特征对高放废物处置库的安全性和稳定性有重要影响。以COx泥岩缓冲回填材料为研究对象,采用不同的试验方法分别研究了饱和的压实试样和糊状试样在干燥过程中的体积收缩变形特征。试验结果表明：压实试样的体积收缩变形特征受初始干密度的影响比较明显,缩限、收缩系数和收缩应变均随初始干密度的增加而减小;压实试样的体积收缩存在明显的各向异性,在低压实度条件下,径向收缩大于轴向收缩,收缩几何因子大于3,在高密度条件下,轴向收缩大于径向收缩,收缩几何因子小于3;糊状试样的体积收缩过程可分为正常收缩、残余收缩和零收缩3个阶段,且绝大部分体积收缩变形发生在试样变为非饱和之前;相对于其他收缩模型,G&C模型对COx糊状试样收缩曲线的拟合精度最高。     

水-力耦合作用下干燥和湿润砂质黄土渗透特性试验研究

为探讨干燥和湿润砂质黄土在水-力耦合作用下的非饱和渗透特性,研制考虑水-力耦合效应的非饱和土渗透系数测量试验装置.针对不同初始含水率的干燥土柱和湿润土柱,采用湿润锋前进法开展一系列一维土柱渗流试验,得到水-力耦合作用下湿润锋、渗透系数与竖向变形的变化规律,并结合扫描电镜试验,揭示其微观机理.结果表明:①随入渗时间增大,...     

干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响

 为解决填方工程沉降和边坡稳定性问题,采用非饱和土三轴仪,对延安新区填方的重塑Q3黄土,进行3种初始干密度下一系列控制基质吸力的三轴剪切试验,研究重塑黄土的变形和强度变化规律。研究结果表明：初始干密度和吸力对重塑黄土的破坏形态、变形特性和强度特性影响较大;随初始干密度的增大,试样的偏应力–轴向应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑性再向应变软化型转变;初始干密度和吸力越大,试样的剪胀性越显著,强度越高;有效黏聚力、内摩擦角和吸力摩擦角均随初始干密度的增加而增大;内摩擦角随吸力几乎不变,而黏聚力随吸力呈线性增加;初始切线杨氏模量和切线体积变形模量均随初始干密度与吸力的增加而提高。根据研究结果提出考虑初始干密度和吸力影响的重塑黄土的抗剪强度参数与非线性模型参数的表达式,可用于预估不同初始干密度、不同吸力下重塑黄土的强度和变形参数,为工程应用和数值模拟提供了依据。     

压实土体的部分湿化计算方法探讨

即使在很小的应力作用下,土体湿化后也会有变形;大部分土体的湿化并没有达到饱和状态,处于部分湿化状态,因此湿化计算有必要解决初始湿化变形和部分湿化变形。将初始湿化变形、土体的刚度参数、强度参数视为湿化程度的函数,考虑渗流过程的影响,从而将传统只能计算干态和湿态的计算方法推广,能够考虑初始湿化变形和湿化变形过程。介绍相应的计算理论,编制相应的计算程序。利用该模型可以比较好地解决高填方工程中的应力路径和湿化路径问题,并应用该方法模拟巫山污水处理厂高填方高压实土体的湿化试验过程,计算湿化变形随时间变化的关系。计算结果与湿化试验曲线吻合较好,证明该方法的可行性。     

压实膨润土膨胀应变时效性试验及模型研究

本文对高庙子膨润土试样竖向膨胀应变时效性进行了试验和理论研究。首先,3种不同含水率的高庙子膨润土粉末被压实到2种不同干密度,然后保持试样含水率不变分别静置0、1、7、15、30和90天,最后利用膨胀变形仪对静置完成后的试样的水化膨胀变形进行了测量,试验结果表明:试样的水化膨胀曲线呈双曲线型,水化初期膨胀明显,之后逐渐稳定;竖向膨胀应变随初始干密度的增加而增大,与初始含水率关系不明显;最大竖向膨胀应变随静置时间的增长不断衰减,且静置前期衰减明显,后期趋于稳定;基于试验成果,通过类比,建立了压实膨润土的膨胀应变时效性经验模型,拟合结果表明该模型能够较好地反映静置时间对高庙子膨润土膨胀应变的影响。     

Investigation on microstructure evolution of clayey soils: A review focusing on wetting/drying process

Variability in moisture content is a common condition in natural soils. It influences soil properties significantly. A comprehensive understanding of the evolution of soil microstructure in wetting/drying process is of great significance for interpretation of soil macro hydro-mechanical behavior. In this review paper, methods that are commonly used to study soil microstructure are summarized. Among them are scanning electron microscope (SEM), environmental SEM (ESEM), mercury intrusion porosimetry (MIP) and computed tomography (CT) technology. Moreover, progress in research on the soil microstructure evolution during drying, wetting and wetting/drying cycles is summarized based on reviews of a large body of research papers published in the past several decades. Soils compacted on the wet side of optimum water content generally have a matrix-type structure with a monomodal pore size distribution (PSD), whereas soils compacted on the dry side of optimum water content display an aggregate structure that exhibits bimodal PSD. During drying, decrease in soil volume is mainly caused by the shrinkage of inter-aggregate pores. During wetting, both the intra- and inter-aggregate pores increase gradually in number and sizes. Changes in the characteristics of the soil pore structure significantly depend on stress state as the soil is subjected to wetting. During wetting/drying cycles, soil structural change is not completely reversible, and the generated cumulative swelling/shrinkage deformation mainly derives from macro-pores. Furthermore, based on this analysis and identified research needs, some important areas of research focus are proposed for future work. These areas include innovative methods of sample preparation, new observation techniques, fast quantitative analysis of soil structure, integration of microstructural parameters into macro-mechanical models, and soil microstructure evolution characteristics under multi-field coupled conditions.